java内存模型总结

概念

内存屏障

内存屏障是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制；

缓冲行

缓存中可以分配的最小单位，处理器填写缓存线时会加载整个缓存线，需要时会用多个主内存读周期；

缓存行填充

当处理器识别到从内存中读取操作数是可缓存的，处理器读取整个缓冲行到适当的缓存；

缓存命中

如果进行高速缓存行填充操作的内存位置仍然是下次处理器访问的地址时，处理器从缓存中读取操作数，而不是从内存中读取；

CAS

比较并交换，操作需要输入两个数值，一个旧值（期望操作前的值）和一个新值，如果获取的真实旧值和预期的旧值一致，才替换新值，否则不交换；

CPU流水线

CPU流水线就像工业生产上的装配流水线，将一条指令分成好几步分别执行，这样实现一个CPU时钟周期完成一条执行，提高CPU运算速度

内存顺序冲突

一般由假共享引起，多个CPU同时修改同一个缓存行的不同部分引起其中一个CPU操作无效，当出现内存冲突后，CPU必须清空流水线

java内存模型

JMM决定了一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象来讲，线程共享变量存放在主内存（main memory），每个线程持有一个本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程读写共享变量的副本（本地内存是JMM的一个抽象概念，并不是真实存在的），JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来保证内存的可见性。

JMM.png

原子性操作：

• lock(锁定)：作用于主内存的变量，锁定一个主内存中的变量，标志该变量为一条线程独占的状态。

• unlock(解锁)：作用于主内存的变量，清除变量的独占状态，只有清除了独占状态，其他线程才能lock 该变量。

• read: 作用于主内存的变量，把主内存的一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存，以便后来的load操作使用。

• load: 作用于工作内存的变量，把read回来的值放入工作内存的变量副本中。

• use: 把变量传给执行引擎使用。

• assign: 把从执行引擎接收到的值赋值给工作内存中的变量。

• store ：作用于工作内存的变量，把一个变量的值传送到主内存，以便后面的write 使用。

• write : 作用于主内存的变量，把store的变量放入到主内存中的变量。

指令重排序

为了提高性能，尽可能的提高并行度，编译器和处理器常常会对指令进行重排序
1，编译器优化的重排序：编译器在不改变单线程语义的前提下，可以重新排列语句的执行顺序；
2，指令级并行的重排序：现代处理器采用了指令级并行技术来将多条执行重叠执行，如果不存在数据依赖性，则处理器可以改变语句对应指令的执行顺序；
3，内存系统的重排序：由于处理器使用了缓存和读写缓冲区，使加载和存储看上去可能是乱序执行；

数据依赖性

如果两个操作访问同一个变量，且一个为写操作，那么这两个操作之间存在数据依赖性，编译器和处理器不会改变存在数据依赖关系的执行顺序（如写后写，读后写，写后读）。

Happens-before

如果一个操作要对另一个操作可见，那这两个操作之间必须存在happens-before关系。这两个操作可以在一个线程内，也可以在不同线程之间。ps.（两个操作存在happens-before关系并不意味着前一个操作必须在后一个操作之前执行，仅仅要求前一个操作结果对后一个操作可见。）

常见的与程序员相关的happens-before规则如下：

①程序顺序规则：一个线程中的每个操作happens-before于其后的任意操作；

②监视器锁规则：对一个监视器的解锁happens-before于随后对这个监视器的加锁；

③volatile规则：对一个volatile域的写happens-before于任意后续对该域的读操作（该规则多个线程之间也成立）；

④传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C

as-if-serial语义

不管怎么重排序，程序（包括单线程和正确同步的多线程）执行的结果不能被改变，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序。

Volatile特性

可见性问题：在多线程中，工作内存与主内存同步延迟现象造成的可见性问题，另外指令重排以及编译器优化也可能导致可见性问题。
volatile含义：一是保证被volatile修饰的共享变量对所有线程总是可见的，也就是当一个线程修改了一个被volatile修饰共享变量的值，新值总数可以被其他线程立即得知；二是禁止指令重排。
实现方式：通过插入内存屏障来实现
注意：volatile不能保证复合操作的原子性（如i++），保证原子性的前提一是对变量的写操作不依赖当前值；二是该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

Final

对于 final 域，编译器和处理器要遵守两个重排序规则：
在构造函数内对一个 final 域的写，与随后把这个构造对象的引用赋值给一个变量，这两个操作之间不能重排序；
初次读一个包含 final 域的对象的引用，与随后初次读这个 final 域，这两个操作之间不能重排序；
避免对象引用在构造函数中溢出。

Synchronized实现可见性过程：

1，获取互斥锁；
2，清楚工作内存；
3，从主存中拷贝内容到工作内存；
4，执行代码指令；
5，更新到主存中；
6，释放锁；

自旋锁CAS

循环进行CAS操作，知道成功为止，CAS实现原子性的三个问题：
1，ABA问题；
2，循环开销大；
3，只能保证一个共享变量的原子性；
ABA的问题可以通过增加版本号的方式每次修改版本号递增。

偏向锁

大多数情况下，锁总是由同一个线程获得，由此引入偏向锁，线程访问同步代码块并获得锁时，在对象头和栈桢的锁记录里存储偏向锁的线程ID，以后该线程进入和退出不需要进行CAS操作来加锁和解锁

轻量级锁

当偏向锁处于竞争状态，则锁升级为轻量级锁；

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